區塊鏈協議一致性

⑴ 區塊鏈的共識機制

一、區塊鏈共識機制的目標

區塊鏈是什麼？簡單而言，區塊鏈是一種去中心化的資料庫，或可以叫作分布式賬本(distributed ledger)。傳統上所有的資料庫都是中心化的，例如一間銀行的賬本就儲存在銀行的中心伺服器里。中心化資料庫的弊端是數據的安全及正確性全系於資料庫運營方（即銀行），因為任何能夠訪問中心化資料庫的人（如銀行職員或黑客）都可以破壞或修改其中的數據。

而區塊鏈技術則容許資料庫存放在全球成千上萬的電腦上，每個人的賬本通過點對點網路進行同步，網路中任何用戶一旦增加一筆交易，交易信息將通過網路通知其他用戶驗證，記錄到各自的賬本中。區塊鏈之所以得其名是因為它是由一個個包含交易信息的區塊（block）從後向前有序鏈接起來的數據結構。

很多人對區塊鏈的疑問是，如果每一個用戶都擁有一個獨立的賬本，那麼是否意味著可以在自己的賬本上添加任意的交易信息，而成千上萬個賬本又如何保證記賬的一致性？ 解決記賬一致性問題正是區塊鏈共識機制的目標 。區塊鏈共識機制旨在保證分布式系統里所有節點中的數據完全相同並且能夠對某個提案（proposal）（例如是一項交易紀錄）達成一致。然而分布式系統由於引入了多個節點，所以系統中會出現各種非常復雜的情況；隨著節點數量的增加，節點失效或故障、節點之間的網路通信受到干擾甚至阻斷等就變成了常見的問題，解決分布式系統中的各種邊界條件和意外情況也增加了解決分布式一致性問題的難度。

區塊鏈又可分為三種：

公有鏈：全世界任何人都可以隨時進入系統中讀取數據、發送可確認交易、競爭記賬的區塊鏈。公有鏈通常被認為是「完全去中心化「的，因為沒有任何人或機構可以控制或篡改其中數據的讀寫。公有鏈一般會通過代幣機制鼓勵參與者競爭記賬，來確保數據的安全性。

聯盟鏈：聯盟鏈是指有若干個機構共同參與管理的區塊鏈。每個機構都運行著一個或多個節點，其中的數據只允許系統內不同的機構進行讀寫和發送交易，並且共同來記錄交易數據。這類區塊鏈被認為是「部分去中心化」。

私有鏈：指其寫入許可權是由某個組織和機構控制的區塊鏈。參與節點的資格會被嚴格的限制，由於參與的節點是有限和可控的，因此私有鏈往往可以有極快的交易速度、更好的隱私保護、更低的交易成本、不容易被惡意攻擊、並且能夠做到身份認證等金融行業必須的要求。相比中心化資料庫，私有鏈能夠防止機構內單節點故意隱瞞或篡改數據。即使發生錯誤，也能夠迅速發現來源，因此許多大型金融機構在目前更加傾向於使用私有鏈技術。

二、區塊鏈共識機制的分類

解決分布式一致性問題的難度催生了數種共識機制，它們各有其優缺點，亦適用於不同的環境及問題。被眾人常識的共識機制有：

l PoW（Proof of Work）工作量證明機制

l PoS（Proof of Stake）股權/權益證明機制

l DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授權證明機制

l PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）實用拜占庭容錯演算法

l DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授權拜占庭容錯演算法

l SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恆星共識協議

l RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共識演算法

l Pool驗證池共識機制

（一）PoW（Proof of Work）工作量證明機制

1. 基本介紹

在該機制中，網路上的每一個節點都在使用SHA256哈希函數(hash function) 運算一個不斷變化的區塊頭的哈希值 (hash sum)。 共識要求算出的值必須等於或小於某個給定的值。 在分布式網路中，所有的參與者都需要使用不同的隨機數來持續計算該哈希值，直至達到目標為止。當一個節點的算出確切的值，其他所有的節點必須相互確認該值的正確性。之後新區塊中的交易將被驗證以防欺詐。

在比特幣中，以上運算哈希值的節點被稱作「礦工」，而PoW的過程被稱為「挖礦」。挖礦是一個耗時的過程，所以也提出了相應的激勵機制（例如向礦工授予一小部分比特幣）。PoW的優點是完全的去中心化，其缺點是消耗大量算力造成了的資源浪費，達成共識的周期也比較長，共識效率低下，因此其不是很適合商業使用。

2. 加密貨幣的應用實例

比特幣(Bitcoin) 及萊特幣(Litecoin)。以太坊(Ethereum) 的前三個階段（Frontier前沿、Homestead家園、Metropolis大都會）皆採用PoW機制，其第四個階段 (Serenity寧靜) 將採用權益證明機制。PoW適用於公有鏈。

PoW機制雖然已經成功證明了其長期穩定和相對公平，但在現有框架下，採用PoW的「挖礦」形式，將消耗大量的能源。其消耗的能源只是不停的去做SHA256的運算來保證工作量公平，並沒有其他的存在意義。而目前BTC所能達到的交易效率為約5TPS（5筆/秒），以太坊目前受到單區塊GAS總額的上限，所能達到的交易頻率大約是25TPS，與平均千次每秒、峰值能達到萬次每秒處理效率的VISA和MASTERCARD相差甚遠。

3. 簡圖理解模式

（ps：其中A、B、C、D計算哈希值的過程即為「挖礦」，為了犒勞時間成本的付出，機制會以一定數量的比特幣作為激勵。）

（Ps：PoS模式下，你的「挖礦」收益正比於你的幣齡(幣的數量*天數)，而與電腦的計算性能無關。我們可以認為任何具有概率性事件的累計都是工作量證明，如淘金。假設礦石含金量為p% 質量, 當你得到一定量黃金時，我們可以認為你一定挖掘了1/p 質量的礦石。而且得到的黃金數量越多，這個證明越可靠。）

（二）PoS（Proof of Stake）股權/權益證明機制

1.基本介紹

PoS要求人們證明貨幣數量的所有權，其相信擁有貨幣數量多的人攻擊網路的可能性低。基於賬戶余額的選擇是非常不公平的，因為單一最富有的人勢必在網路中佔主導地位，所以提出了許多解決方案。

在股權證明機制中，每當創建一個區塊時，礦工需要創建一個稱為「幣權」的交易，這個交易會按照一定比例預先將一些幣發給礦工。然後股權證明機制根據每個節點持有代幣的比例和時間（幣齡）， 依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，以加快節點尋找隨機數的速度，縮短達成共識所需的時間。

與PoW相比，PoS可以節省更多的能源，更有效率。但是由於挖礦成本接近於0，因此可能會遭受攻擊。且PoS在本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算，所以它同樣難以應用於商業領域。

2.數字貨幣的應用實例

PoS機制下較為成熟的數字貨幣是點點幣（Peercoin）和未來幣（NXT），相比於PoW，PoS機制節省了能源，引入了" 幣天 "這個概念來參與隨機運算。PoS機制能夠讓更多的持幣人參與到記賬這個工作中去，而不需要額外購買設備（礦機、顯卡等）。每個單位代幣的運算能力與其持有的時間長成正相關，即持有人持有的代幣數量越多、時間越長，其所能簽署、生產下一個區塊的概率越大。一旦其簽署了下一個區塊，持幣人持有的幣天即清零，重新進入新的循環。

PoS適用於公有鏈。

3.區塊簽署人的產生方式

在PoS機制下，因為區塊的簽署人由隨機產生，則一些持幣人會長期、大額持有代幣以獲得更大概率地產生區塊，盡可能多的去清零他的"幣天"。因此整個網路中的流通代幣會減少，從而不利於代幣在鏈上的流通，價格也更容易受到波動。由於可能會存在少量大戶持有整個網路中大多數代幣的情況，整個網路有可能會隨著運行時間的增長而越來越趨向於中心化。相對於PoW而言，PoS機制下作惡的成本很低，因此對於分叉或是雙重支付的攻擊，需要更多的機制來保證共識。穩定情況下，每秒大約能產生12筆交易，但因為網路延遲及共識問題，需要約60秒才能完整廣播共識區塊。長期來看，生成區塊（即清零"幣天"）的速度遠低於網路傳播和廣播的速度，因此在PoS機制下需要對生成區塊進行"限速"，來保證主網的穩定運行。

4.簡圖理解模式

（PS：擁有越多「股份」權益的人越容易獲取賬權。是指獲得多少貨幣，取決於你挖礦貢獻的工作量，電腦性能越好，分給你的礦就會越多。）

（在純POS體系中，如NXT，沒有挖礦過程，初始的股權分配已經固定，之後只是股權在交易者之中流轉，非常類似於現實世界的股票。）

（三）DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授權證明機制

1.基本介紹

由於PoS的種種弊端，由此比特股首創的權益代表證明機制 DPoS（Delegated Proof of Stake）應運而生。DPoS 機制中的核心的要素是選舉，每個系統原生代幣的持有者在區塊鏈裡面都可以參與選舉，所持有的代幣余額即為投票權重。通過投票，股東可以選舉出理事會成員，也可以就關系平台發展方向的議題表明態度，這一切構成了社區自治的基礎。股東除了自己投票參與選舉外，還可以通過將自己的選舉票數授權給自己信任的其它賬戶來代表自己投票。

具體來說， DPoS由比特股（Bitshares）項目組發明。股權擁有著選舉他們的代表來進行區塊的生成和驗證。DPoS類似於現代企業董事會制度，比特股系統將代幣持有者稱為股東，由股東投票選出101名代表， 然後由這些代表負責生成和驗證區塊。 持幣者若想稱為一名代表，需先用自己的公鑰去區塊鏈注冊，獲得一個長度為32位的特有身份標識符，股東可以對這個標識符以交易的形式進行投票，得票數前101位被選為代表。

代表們輪流產生區塊，收益（交易手續費）平分。DPoS的優點在於大幅減少了參與區塊驗證和記賬的節點數量，從而縮短了共識驗證所需要的時間，大幅提高了交易效率。從某種角度來說，DPoS可以理解為多中心系統，兼具去中心化和中心化優勢。優點：大幅縮小參與驗證和記賬節點的數量，可以達到秒級的共識驗證。缺點：投票積極性不高，絕大部分代幣持有者未參與投票；另整個共識機制還是依賴於代幣，很多商業應用是不需要代幣存在的。

DPoS機制要求在產生下一個區塊之前，必須驗證上一個區塊已經被受信任節點所簽署。相比於PoS的" 全民挖礦 "，DPoS則是利用類似" 代表大會 "的制度來直接選取可信任節點，由這些可信任節點（即見證人）來代替其他持幣人行使權力，見證人節點要求長期在線，從而解決了因為PoS簽署區塊人不是經常在線而可能導致的產塊延誤等一系列問題。 DPoS機制通常能達到萬次每秒的交易速度，在網路延遲低的情況下可以達到十萬秒級別，非常適合企業級的應用。 因為公信寶數據交易所對於數據交易頻率要求高，更要求長期穩定性，因此DPoS是非常不錯的選擇。

2. 股份授權證明機制下的機構與系統

理事會是區塊鏈網路的權力機構，理事會的人選由系統股東（即持幣人）選舉產生，理事會成員有權發起議案和對議案進行投票表決。

理事會的重要職責之一是根據需要調整系統的可變參數，這些參數包括：

l 費用相關：各種交易類型的費率。

l 授權相關：對接入網路的第三方平台收費及補貼相關參數。

l 區塊生產相關：區塊生產間隔時間，區塊獎勵。

l 身份審核相關：審核驗證異常機構賬戶的信息情況。

l 同時，關繫到理事會利益的事項將不通過理事會設定。

在Finchain系統中，見證人負責收集網路運行時廣播出來的各種交易並打包到區塊中，其工作類似於比特幣網路中的礦工，在採用 PoW(工作量證明)的比特幣網路中，由一種獲獎概率取決於哈希算力的抽彩票方式來決定哪個礦工節點產生下一個區塊。而在採用 DPoS 機制的金融鏈網路中，通過理事會投票決定見證人的數量，由持幣人投票來決定見證人人選。入選的活躍見證人按順序打包交易並生產區塊，在每一輪區塊生產之後，見證人會在隨機洗牌決定新的順序後進入下一輪的區塊生產。

3. DPoS的應用實例

比特股(bitshares) 採用DPoS。DPoS主要適用於聯盟鏈。

4.簡圖理解模式

（四）PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）實用拜占庭容錯演算法

1. 基本介紹

PBFT是一種基於嚴格數學證明的演算法，需要經過三個階段的信息交互和局部共識來達成最終的一致輸出。三個階段分別為預備 (pre-prepare)、准備 (prepare)、落實 (commit)。PBFT演算法證明系統中只要有2/3比例以上的正常節點，就能保證最終一定可以輸出一致的共識結果。換言之，在使用PBFT演算法的系統中，至多可以容忍不超過系統全部節點數量1/3的失效節點 (包括有意誤導、故意破壞系統、超時、重復發送消息、偽造簽名等的節點，又稱為」拜占庭」節點)。

2. PBFT的應用實例

著名聯盟鏈Hyperledger Fabric v0.6採用的是PBFT，v1.0又推出PBFT的改進版本SBFT。PBFT主要適用於私有鏈和聯盟鏈。

3. 簡圖理解模式

上圖顯示了一個簡化的PBFT的協議通信模式，其中C為客戶端，0 – 3表示服務節點，其中0為主節點，3為故障節點。整個協議的基本過程如下：

(1) 客戶端發送請求，激活主節點的服務操作；

(2) 當主節點接收請求後，啟動三階段的協議以向各從節點廣播請求；

(a) 序號分配階段，主節點給請求賦值一個序號n，廣播序號分配消息和客戶端的請求消息m，並將構造pre-prepare消息給各從節點；

(b) 交互階段，從節點接收pre-prepare消息，向其他服務節點廣播prepare消息；

(c) 序號確認階段，各節點對視圖內的請求和次序進行驗證後，廣播commit消息，執行收到的客戶端的請求並給客戶端響應。

(3) 客戶端等待來自不同節點的響應，若有m+1個響應相同，則該響應即為運算的結果；

（五）DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授權拜占庭容錯演算法

1. 基本介紹

DBFT建基於PBFT的基礎上，在這個機制當中，存在兩種參與者，一種是專業記賬的「超級節點」，一種是系統當中不參與記賬的普通用戶。普通用戶基於持有權益的比例來投票選出超級節點，當需要通過一項共識（記賬）時，在這些超級節點中隨機推選出一名發言人擬定方案，然後由其他超級節點根據拜占庭容錯演算法（見上文），即少數服從多數的原則進行表態。如果超過2/3的超級節點表示同意發言人方案，則共識達成。這個提案就成為最終發布的區塊，並且該區塊是不可逆的，所有裡面的交易都是百分之百確認的。如果在一定時間內還未達成一致的提案，或者發現有非法交易的話，可以由其他超級節點重新發起提案，重復投票過程，直至達成共識。

2. DBFT的應用實例

國內加密貨幣及區塊鏈平台NEO是 DBFT演算法的研發者及採用者。

3. 簡圖理解模式

假設系統中只有四個由普通用戶投票選出的超級節點，當需要通過一項共識時，系統就會從代表中隨機選出一名發言人擬定方案。發言人會將擬好的方案交給每位代表，每位代表先判斷發言人的計算結果與它們自身紀錄的是否一致，再與其它代表商討驗證計算結果是否正確。如果2/3的代表一致表示發言人方案的計算結果是正確的，那麼方案就此通過。

如果只有不到2/3的代表達成共識，將隨機選出一名新的發言人，再重復上述流程。這個體系旨在保護系統不受無法行使職能的領袖影響。

上圖假設全體節點都是誠實的，達成100%共識，將對方案A（區塊）進行驗證。

鑒於發言人是隨機選出的一名代表，因此他可能會不誠實或出現故障。上圖假設發言人給3名代表中的2名發送了惡意信息（方案B），同時給1名代表發送了正確信息（方案A）。

在這種情況下該惡意信息（方案B）無法通過。中間與右邊的代表自身的計算結果與發言人發送的不一致，因此就不能驗證發言人擬定的方案，導致2人拒絕通過方案。左邊的代表因接收了正確信息，與自身的計算結果相符，因此能確認方案，繼而成功完成1次驗證。但本方案仍無法通過，因為不足2/3的代表達成共識。接著將隨機選出一名新發言人，重新開始共識流程。

上圖假設發言人是誠實的，但其中1名代表出現了異常；右邊的代表向其他代表發送了不正確的信息（B）。

在這種情況下發言人擬定的正確信息（A）依然可以獲得驗證，因為左邊與中間誠實的代表都可以驗證由誠實的發言人擬定的方案，達成2/3的共識。代表也可以判斷到底是發言人向右邊的節點說謊還是右邊的節點不誠實。

（六）SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恆星共識協議

1. 基本介紹

SCP 是 Stellar (一種基於互聯網的去中心化全球支付協議) 研發及使用的共識演算法，其建基於聯邦拜占庭協議 (Federated Byzantine Agreement) 。傳統的非聯邦拜占庭協議（如上文的PBFT和DBFT）雖然確保可以通過分布式的方法達成共識，並達到拜占庭容錯 (至多可以容忍不超過系統全部節點數量1/3的失效節點)，它是一個中心化的系統 — 網路中節點的數量和身份必須提前知曉且驗證過。而聯邦拜占庭協議的不同之處在於它能夠去中心化的同時，又可以做到拜占庭容錯。

[…]

（七）RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共識演算法

1. 基本介紹

RPCA是Ripple（一種基於互聯網的開源支付協議，可以實現去中心化的貨幣兌換、支付與清算功能）研發及使用的共識演算法。在 Ripple 的網路中，交易由客戶端（應用）發起，經過追蹤節點（tracking node）或驗證節點（validating node）把交易廣播到整個網路中。追蹤節點的主要功能是分發交易信息以及響應客戶端的賬本請求。驗證節點除包含追蹤節點的所有功能外，還能夠通過共識協議，在賬本中增加新的賬本實例數據。

Ripple 的共識達成發生在驗證節點之間，每個驗證節點都預先配置了一份可信任節點名單，稱為 UNL（Unique Node List）。在名單上的節點可對交易達成進行投票。共識過程如下：

(1) 每個驗證節點會不斷收到從網路發送過來的交易，通過與本地賬本數據驗證後，不合法的交易直接丟棄，合法的交易將匯總成交易候選集（candidate set）。交易候選集裡面還包括之前共識過程無法確認而遺留下來的交易。

(2) 每個驗證節點把自己的交易候選集作為提案發送給其他驗證節點。

(3) 驗證節點在收到其他節點發來的提案後，如果不是來自UNL上的節點，則忽略該提案；如果是來自UNL上的節點，就會對比提案中的交易和本地的交易候選集，如果有相同的交易，該交易就獲得一票。在一定時間內，當交易獲得超過50%的票數時，則該交易進入下一輪。沒有超過50%的交易，將留待下一次共識過程去確認。

(4) 驗證節點把超過50%票數的交易作為提案發給其他節點，同時提高所需票數的閾值到60%，重復步驟(3)、步驟(4)，直到閾值達到80%。

(5) 驗證節點把經過80%UNL節點確認的交易正式寫入本地的賬本數據中，稱為最後關閉賬本（last closed ledger），即賬本最後（最新）的狀態。

在Ripple的共識演算法中，參與投票節點的身份是事先知道的，因此，演算法的效率比PoW等匿名共識演算法要高效，交易的確認時間只需幾秒鍾。這點也決定了該共識演算法只適合於聯盟鏈或私有鏈。Ripple共識演算法的拜占庭容錯（BFT）能力為（n-1）/5，即可以容忍整個網路中20%的節點出現拜占庭錯誤而不影響正確的共識。

2. 簡圖理解模式

共識過程節點交互示意圖：

共識演算法流程：

（八）POOL驗證池共識機制

Pool驗證池共識機制是基於傳統的分布式一致性演算法（Paxos和Raft）的基礎上開發的機制。Paxos演算法是1990年提出的一種基於消息傳遞且具有高度容錯特性的一致性演算法。過去, Paxos一直是分布式協議的標准，但是Paxos難於理解，更難以實現。Raft則是在2013年發布的一個比Paxos簡單又能實現Paxos所解決問題的一致性演算法。Paxos和Raft達成共識的過程皆如同選舉一樣，參選者需要說服大多數選民(伺服器)投票給他，一旦選定後就跟隨其操作。Paxos和Raft的區別在於選舉的具體過程不同。而Pool驗證池共識機制即是在這兩種成熟的分布式一致性演算法的基礎上，輔之以數據驗證的機制。

⑵ 區塊變化會導致後續節點的什麼變化

區塊鏈採用P2P網路，所有節點都是對等的。如果修改了本地區塊鏈，還需要傳播到所有節點，而一致性協議規定了半數以上的結果才能被支持。

這又大大增加了篡改的代價。篡改交易會導致默克爾樹根變化，從而導致區塊變化；而區塊變化會導致後繼節點的「前一區塊的哈希值」變化，從而導致整個鏈的變化；要將篡改後的區塊鏈同步到所有對等網路節點，由於一致性協議的限制，幾乎沒有可能。

區塊鏈（英語：blockchain 或 block chain）是用分布式資料庫識別、傳播和記載信息的智能化對等網路, 也稱為價值互聯網。中本聰在2008年，於《比特幣白皮書》中提出「區塊鏈」概念，並在2009年創立了比特幣社會網路，開發出第一個區塊，即「創世區塊」。

總結如下：

區塊鏈共享價值體系首先被眾多的加密貨幣效仿，並在工作量證明上和演算法上進行了改進，如採用權益證明和SCrypt演算法。隨後，區塊鏈生態系統在全球不斷進化，出現了首次代幣發售ICO；智能合約區塊鏈以太坊。

「輕所有權、重使用權」的資產代幣化共享經濟； 和區塊鏈國家。人們正在利用這一共享價值體系，在各行各業開發去中心化電腦程序(Decentralized applications, Dapp)。

在全球各地構建去中心化自主組織和去中心化自主社區(Decentralized autonomous society, DAS)。

⑶ 區塊鏈的共識機制

1. 網路上的交易信息如何確認並達成共識？ 

雖然經常提到共識機制，但是對於共識機制的含義和理解卻並清楚。因此需要就共識機制的相關概念原理和實現方法有所理解。 

區塊鏈的交易信息是通過網路廣播傳輸到網路中各個節點的，在整個網路節點中如何對廣播的信息進行確認並達成共識 最終寫入區塊呢？  如果沒有相應的可靠安全的實現機制，那麼就難以實現其基本的功能，因此共識機制是整個網路運行下去的一個關鍵。

共識機制解決了區塊鏈如何在分布式場景下達成一致性的問題。區塊鏈能在眾多節點達到一種較為平衡的狀態也是因為共識機制。那麼共識機制是如何在在去中心化的思想上解決了節點間互相信任的問題呢？ 

當分布式的思想被提出來時，人們就開始根據FLP定理和CAP定理設計共識演算法。 規范的說，理想的分布式系統的一致性應該滿足以下三點：

1.可終止性（Termination）：一致性的結果可在有限時間內完成。

2.共識性(Consensus)：不同節點最終完成決策的結果應該相同。

3.合法性(Validity)：決策的結果必須是其他進程提出的提案。

但是在實際的計算機集群中，可能會存在以下問題:

1.節點處理事務的能力不同，網路節點數據的吞吐量有差異

2.節點間通訊的信道可能不安全

3.可能會有作惡節點出現

4.當非同步處理能力達到高度一致時，系統的可擴展性就會變差（容不下新節點的加入）。

科學家認為，在分布式場景下達成 完全一致性 是不可能的。但是工程學家可以犧牲一部分代價來換取分布式場景的一致性，上述的兩大定理也是這種思想，所以基於區塊鏈設計的各種公式機制都可以看作犧牲那一部分代價來換取多適合的一致性，我的想法是可以在這種思想上進行一個靈活的變換，即在適當的時間空間犧牲一部分代價換取適應於當時場景的一致性，可以實現靈活的區塊鏈系統，即可插拔式的區塊鏈系統。今天就介紹一下我對各種共識機制的看法和分析，分布式系統中有無作惡節點分為拜占庭容錯和非拜占庭容錯機制。

FLP定理即FLP不可能性，它證明了在分布式情景下，無論任何演算法，即使是只有一個進程掛掉，對於其他非失敗進程，都存在著無法達成一致的可能。

FLP基於如下幾點假設：

僅可修改一次 ：  每個進程初始時都記錄一個值（0或1）。進程可以接收消息、改動該值、並發送消息，當進程進入decide state時，其值就不再變化。所有非失敗進程都進入decided state時，協議成功結束。這里放寬到有一部分進程進入decided state就算協議成功。

非同步通信 ：  與同步通信的最大區別是沒有時鍾、不能時間同步、不能使用超時、不能探測失敗、消息可任意延遲、消息可亂序。

通信健壯： 只要進程非失敗，消息雖會被無限延遲，但最終會被送達；並且消息僅會被送達一次（無重復）。

Fail-Stop 模型： 進程失敗如同宕機，不再處理任何消息。

失敗進程數量 ： 最多一個進程失敗。

CAP是分布式系統、特別是分布式存儲領域中被討論最多的理論。CAP由Eric Brewer在2000年PODC會議上提出，是Eric Brewer在Inktomi期間研發搜索引擎、分布式web緩存時得出的關於數據一致性(consistency)、服務可用性(availability)、分區容錯性(partition-tolerance)的猜想：

數據一致性 (consistency)：如果系統對一個寫操作返回成功，那麼之後的讀請求都必須讀到這個新數據；如果返回失敗，那麼所有讀操作都不能讀到這個數據，對調用者而言數據具有強一致性(strong consistency) (又叫原子性 atomic、線性一致性 linearizable consistency)[5]

服務可用性 (availability)：所有讀寫請求在一定時間內得到響應，可終止、不會一直等待

分區容錯性 (partition-tolerance)：在網路分區的情況下，被分隔的節點仍能正常對外服務

在某時刻如果滿足AP，分隔的節點同時對外服務但不能相互通信，將導致狀態不一致，即不能滿足C；如果滿足CP，網路分區的情況下為達成C，請求只能一直等待，即不滿足A；如果要滿足CA，在一定時間內要達到節點狀態一致，要求不能出現網路分區，則不能滿足P。

C、A、P三者最多隻能滿足其中兩個，和FLP定理一樣，CAP定理也指示了一個不可達的結果(impossibility result)。

⑷ 共識演算法（分布式下的一致性演算法)

共識演算法（分布式下的一致性演算法)

業務場景：

達到的效果：可以保證在過半節點正常的情況下，所有的寫入操作不會丟失。

Zab協議並不保證強一致性，也不是弱一致性，而是在一定限度內的強一致性。

缺點：

缺點：

區塊鏈1.0時代：比特幣，作用就是去中心化的貨幣，無國界的貨幣，並且可以匿名性的洗錢
區塊鏈2.0時代：代表以太坊，引入了智能合約的概念，發揮其 去中心化和不可篡改的特性，可以實現類似於 追溯、拍賣、投票等業務場景。

區塊鏈技術的實用價值：
無國界虛擬貨幣：比如比特幣

模擬一個拍賣（盲拍）的業務場景（發布一個智能合約）：
https://solidity.readthedocs.io/en/latest/solidity-by-example.html#simple-open-auction

普通拍賣可能存在的問題：

商家A對一件商品公開自己要拍賣，智能合約在規定的時間會開始接收競拍（參與競拍的人需要支付保證金（以太幣）），在競拍結束之後，價格最高的人會完成支付，其它的買家的保證金會全額退回。
然後成功競拍者可以線下去找賣家，證明自己的身份，然後獲得競拍品

優點：

工作量證明（ PoW ）通過計算一個數值（ nonce ），使得拼揍上交易數據後內容的 Hash 值滿足規定的上限。在節點成功找到滿足的Hash值之後，會馬上對全網進行廣播打包區塊，網路的節點收到廣播打包區塊，會立刻對其進行驗證

舉個例子，給定的一個基本的字元串」Hello, world!」，我們給出的工作量要求是，可以在這個字元串後面添加一個叫做nonce的整數值，對變更後（添加nonce)的字元串進行SHA256哈希運算，
如果得到的哈希結果（以16進制的形式表示）是以」0000」開頭的，則驗證通過。為了達到這個工作量證明的目標。我們需要不停的遞增nonce值，對得到的新字元串進行SHA256哈希運算。
按照這個規則，我們需要經過4251次計算才能找到恰好前4位為0的哈希散列。計算完之後，然後廣播到臨近的節點，臨近的節點會先驗算交易是否合法（金額是否異常），再驗證hash值是否滿足要求，都滿足的話，就會把這個數據塊添加到自己的賬本中。

優點：

缺點：

計算難度值會因為 股東持有的 幣齡而降低，為挖礦無形之中提升了壁壘，股東更容易算出結果值（難度更低），從而避免過度的算力競爭，節省電力，提升系統的穩定性。
因為從人性的角度，股東更不願意讓不安全的現象發生（比如攻擊主鏈)，因為會造成信用降低，從而自己的礦幣貶值。讓股東擁有更多的記賬權，讓主鏈更安全。

擴展可以參考我之前寫過的zab專欄博客
https://www.jianshu.com/nb/32551354

⑸ 《區塊鏈項目開發指南》讀書筆記

ethash

答：在DAPP中，沒有一個中心伺服器來協調節點，或者決定什麼是對，什麼是錯，因此應對這個挑戰確實不容易，一致性協議（concensus protocol）可用於解決這個問題。
補充：共識演算法的核心就是解決拜占庭將軍問題（分布式網路一致性問題）。

答：修改bug或者更新DAPP很困難。

如果我需要從一個中心化應用抓取數據，如車輛違章信息，怎麼保證抓取的數據是真實有效的？
答：為了訪問中心化的API，可以使用Oraclize服務可以作為中間人，Oraclize為從中心化服務智能合約中抓取的數據提供TLSNotary驗證。

中心化應用的所有者需要有盈利才能長期維護應用的運行，而DAPP雖然沒有所有者，但是跟中心化應用一樣，DAPP節點需要硬體和網路資源才能維持運行。DAPP節點需要一些有用的回報來維持運行，於是內部貨幣登場了。大多數DAPP都有內置內部貨幣，或者可以說最成功的DAPP都有內置內部貨幣。如以太幣

授權的DAPP不對所有人開放。授權的DAPP繼承了免許可權DAPP的全部屬性，但需要許可權才能參與到網路中去。授權的DAPP與免許可權的DAPP的共識協議是不同的。授權的DAPP沒有內部貨幣。
超級賬本（Hyperledger）項目致力於開發創建授權的DAPP技術。

為什麼少數國家認定比特幣是非法的，大部分國家對此還沒有做出決定呢？原因如下：

星際文件存儲系統（InterPlanetary File System）是一個去中心化的文件系統。

目標是通過使交易幾乎瞬間完成，並隱藏交易賬戶的信息，還可以防止他人用ISP追蹤所有者。

任何人都可以成為以太坊網路中的礦工。每個礦工獨自解決問題，第一個解決問題的礦工是勝利者，它得到的回報是5個以太幣和該區塊中全部交易的交易費。區塊鏈中有多少個區塊沒有限制，可以生成的以太幣總數也沒有限制。

網路中的任何節點都可以檢查區塊鏈是否合法，首先檢查交易在區塊鏈中是否合法以及時間戳的驗證情況，然後檢查區塊的目標值和隨機數是否合法、礦工是否得到合法的回報等。

節點是如何發現網路中的其他節點的呢？
以太坊的節點發現協議：Kadelima，在這種協議中，有一種特殊節點Bootstrap節點。它保存了一段時間內與它連接的所有節點列表，但其本身不保存區塊鏈。
當對等節點連接到以太坊網路時，它們首先連接到Bootstrap節點。
可以有多種以太坊實例，也就是說，不同的網路每個都有自己的網路ID。
兩種主要的以太坊網路是主網和測試網。以太幣在主網上交易，而測試網供開發人員測試。

一個去中心化的通信協議，它支持廣播、用戶到用戶、加密信息等，但不用於傳輸大數據。

一個去中心化的文件系統。

geth為其他應用提供了與其通信的JSON-RPC API。使用HTTP、WebSocket和其他協議服務於JSON-RPC API。
JSON-RPC API提供的API分成如下類型：

以太坊網路中的節點默認用 30303 埠通信。

--networkid 用於指定網路ID，1代表主網網路ID，預設默認值為1，2代表測試網路ID
--dev 標記運行一個私有網路
--etherbase 指定挖礦賺取的回報存入的錢包地址
--unlock 解鎖一個或者多個賬戶

以太坊錢包與geth捆綁在一起。運行以太坊時，它會嘗試發現一個本地geth實例並與之連接；如果它不能發現geth正在運行，它就啟動自己的geth節點。以太坊錢包使用IPC與geth通信。geth支持以文件為基礎的IPC。

以太坊下一個主要更新的名字。Serenity把共識協議改為casper，並將整合狀態通道和分片。

Casper 實施了一個進程，使得它可以懲罰所有的惡意因素。這就是權益證明在Casper下是如何工作的：
驗證者押下一定比例的他們擁有的以太幣作為保證金。然後，他們將開始驗證區塊。也就是說，當他們發現一個可以他們認為可以被加到鏈上的區塊的時候，他們將以通過押下賭注來驗證它。
如果該區塊被加到鏈上，然後驗證者們將得到一個跟他們的賭注成比例的獎勵。但是，如果一個驗證者採用一種惡意的方式行動、試圖做「無利害關系」的事，他們將立即遭到懲罰，他們所有的權益都會被砍掉。正如你可以看到的，Casper被設計成可以在一個無需信任的系統上工作，並且是更加拜占庭容錯的。

支付通道 功能允許將兩個以上向另一個賬戶發送以太幣的交易合並成兩個交易。其工作原理為：假設X是一個視頻網站老闆，Y是個用戶。X每分鍾收費1個以太幣。現在X想讓Y看視頻期間每分鍾交一次錢。當然，Y可以每分鍾廣播交易，但是這里有些問題，例如X不得不等待確認，所以視頻就會中斷一會。支付通道可以解決這個問題。使用支付通道，Y可以廣播一個鎖定交易，為X把一些以太幣（比如100個以太幣）鎖定一段時間（比如24小時）。現在每看完一分鍾視頻，Y將發送一個簽名記錄表示可以解鎖，一個以太幣就進入X的賬戶，其餘的進入Y的賬戶。再過一分鍾，Y將發送一個簽名記錄表示可以解鎖，兩個以太幣就進入X的賬戶，其餘的進入Y的賬戶。Y觀看X網站的視頻過程中，該過程將持續。現在假設Y看完了100小時視頻或者24小時時間到了，X將向網路廣播最後的簽名記錄，以把錢收到自己的賬戶里。如果X沒有在24小時內提款，全款會返還給Y。所以在區塊鏈中，我們將看到lock和unlock兩種交易。

Sybil攻擊
51%攻擊
補充：不能存儲較大數據，目前有Swarm與IPFS等分布式存儲方式可供選擇

把所有東西都存在內存里，因此，節點一旦重啟，將丟失以前的狀態。
默認監聽埠：8545

⑹ 區塊鏈在電子合同中的應用原理是怎樣的

區塊鏈技術因其減少中間環節、減少數據一致性導致的欺詐、提升業務效率和速度、減少交易對手風險以及增加收入、節省成本等特徵，受到市場的熱捧。

深究其實現原理，區塊鏈通過深度使用密碼學演算法、特別設計的數據結構和多方參與的共識演算法，由機器演算法來解決多方交易記錄的一致性、可靠存儲和防篡改問題，與電子數據存證有著天然的強關聯。

首先，電子合同簽約記錄存儲在由多方共同維護的共享賬本上，不可篡改，不可抵賴，當然也不會丟失。

其次，電子合同文本、電子合同要素加密存儲，包括電子合同參與人也採取加密存儲，只有參與人才可以解密查看，在數據上保護簽約方隱私。

再次，機器按照預定義的規則(智能合約)嚴格執行，不再僅靠與第三方一紙協議保證。基於區塊鏈的KYC服務自動檢查驗證證書有效性和身份，在保證隱私的基礎上確保參與人身份有效真實。